【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及熱電半導體材料，尤其是涉及一種大尺寸cosbs基熱電半導體晶體及其制備方法。
技術介紹
1、傳統(tǒng)的熱電半導體材料主要為bi2te3基熱電材料和pbte基熱電材料，但上述兩種材料的組成元素在地殼中儲存稀少且原材料及產物有毒性，因此尋找一種環(huán)保低毒、原材料廣泛的熱電半導體材料具有重要意義。
2、?熱電轉換技術的能源轉換效率是由材料的熱電性能來衡量的，人們通常用熱電優(yōu)值zt來表征熱電性能的高低，熱電材料的zt值可表示為zt?=?s2σt/κ，其中s為材料的澤貝克系數(shù)，σ為材料的電導率，t為絕對溫度，κ為材料的總熱導率。而cosbs具有較高的功率因子和較好的力學穩(wěn)定性，通過電子結構計算表明cosbs較好的高功率因子源于自其在價帶頂和導帶底的能帶色散具有多谷的特點，通過摻雜可以有效的提高cosbs基材料的載流子濃度、態(tài)密度有效質量和遷移率，此外cosbs基材料的結構還是一種儲備資源豐富、來源廣泛、綠色環(huán)保的礦物資源，因此cosbs基材料是一種極具潛力的中高溫區(qū)熱電半導體材料。
3、?目前傳統(tǒng)的cosbs采用加壓燒結法（sps燒結法）的制備工藝制成，如cn109626446b公開的一種立方結構cosbs熱電化合物的制備方法，該方法將co、sb、s粉末壓制成塊后再高溫燒結制成cosbs熱電化合物，再如參考文獻《s.s.?zhang,?enhancedthermoelectric?performance?of?cosbs0.85se0.15by?point?defect,?rare?met.37?(2017
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術為了克服現(xiàn)有技術中使用sps燒結法制備cosbs基熱電半導體晶體時存在硫元素損失率高的問題，提供了一種大尺寸cosbs基熱電半導體晶體及其制備方法，本專利技術通過調整單質s顆粒和其他原料單質顆粒在坩堝中的疊放方式以及控制熔融溫度顯著降低了制成的cosbs多晶原料的硫元素損失率，本專利技術還通過熔融生長法對cosbs多晶原料進行晶體生長制成大尺寸的cosbs基熱電半導體晶體，該半導體晶體與sps燒結法制成的半導體晶體相比具有相近的電導率。
2、本專利技術的具體技術方案為：
3、一種大尺寸cosbs基熱電半導體晶體，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體采用cosbs多晶原料進行熔融生長法制成，所述cosbs多晶原料采用單質co顆粒、單質sb顆粒和單質s顆粒在650~750?℃下?lián)u擺熔融制成，搖擺熔融時將單質s顆粒置于單質co顆粒和單質sb顆粒的下層。
4、作為優(yōu)選，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體還包括摻雜元素，所述摻雜元素為cu、zn、ni和se元素中的一種，摻雜含量為0~0.2。
5、?作為優(yōu)選，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體的直徑為10~40?mm，長度為5~10cm。
6、本專利技術提供了一種大尺寸cosbs基熱電半導體晶體，該半導體晶體的尺寸大，制備方法簡單，易于工業(yè)化，該半導體晶體與sps燒結法制成的半導體晶體相比電導率更高，熱電轉換性能更優(yōu)；本專利技術的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體采用單質co顆粒、單質sb顆粒以及單質s顆粒為原料進行搖擺熔融制成cosbs多晶原料，再使用cosbs多晶原料進行熔融生長制成大尺寸的cosbs基熱電半導體晶體，本專利技術通過調整單質s顆粒與其他原料單質顆粒在坩堝中的疊放方式以及控制熔融溫度顯著降低了cosbs多晶原料硫元素損失率，保證后續(xù)cosbs多晶原料能夠制成的所需的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體。
7、一種上述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體的制備方法，包括以下步驟：
8、步驟一：將單質s顆粒置于坩堝底層，再將單質co顆粒和單質sb顆粒疊放至單質s顆粒上層，真空密封坩堝再進行搖擺熔融制成cosbs多晶原料；
9、步驟二：將cosbs多晶原料置于坩堝內真空密封，將坩堝置于垂直晶體生長裝置中，垂直晶體生長裝置自上而下依次為熔融區(qū)、降溫結晶區(qū)和退火區(qū)，先將坩堝置于熔融區(qū)進行熔融制成熔體，再將坩堝置于降溫結晶區(qū)移動進行梯度降溫結晶，最后將坩堝進行退火制成大尺寸cosbs基熱電半導體晶體。
10、?作為優(yōu)選，步驟一中搖擺熔融的溫度為650~750?℃。
11、?作為優(yōu)選，步驟一中搖擺熔融的搖擺時間為0.5~3?h，搖擺速率為10~30?r/min。
12、?作為優(yōu)選，步驟二中cosbs多晶原料的用量為20~100?g。
13、本專利技術采用搖擺熔融，能夠使熔融后的熔體混合更加均勻，提高cosbs多晶原料的均勻性。
14、?作為優(yōu)選，步驟二中熔融區(qū)的條件為：溫度為950~1050?℃，升溫速率為1~2.5℃/min，停留時間為8~20?h。
15、?作為優(yōu)選，步驟二中梯度降溫結晶區(qū)的條件為：降溫梯度為15~25?℃/cm，坩堝移動速率為0.2~3?mm/h。
16、?作為優(yōu)選，步驟二中坩堝的底部為圓錐狀，圓錐的錐度為17~44?°；坩堝的直徑為10~50?mm，坩堝的長度為20~40?cm。
17、本專利技術還提供了一種上述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體的制備方法，該方法通過熔融生長法對cosbs多晶原料進行晶體生長，該方法能夠制成大尺寸的cosbs基熱電半導體晶體，該方法操作簡單、易于工業(yè)化推廣。
18、與現(xiàn)有技術相比，本專利技術具有以下技術效果：
19、（1）本專利技術通過調整單質s顆粒和其他原料單質顆粒在坩堝中的疊放方式以及控制熔融溫度顯著降低了制成的cosbs多晶原料的硫元素損失率；
20、（2）本專利技術制得的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體與sps燒結法制成的cosbs基熱電半導體晶體相比具有相近的電導率；
21、（3）本專利技術制得的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體尺寸大，制備方法簡單，易于工業(yè)化推廣。
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1.一種大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體采用CoSbS多晶原料進行熔融生長法制成，所述CoSbS多晶原料采用單質Co顆粒、單質Sb顆粒、單質S顆粒在650~750?℃下?lián)u擺熔融制成，搖擺熔融時將單質S顆粒置于單質Co顆粒、單質Sb顆粒的下層。
2.根據(jù)權利要求1所述的大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體還包括摻雜元素，所述摻雜元素為Cu、Zn、Ni和Se元素中的一種，摻雜含量為0~0.2。
3.根據(jù)權利要求1所述的大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體的直徑為10~40?mm，長度為5~10?cm。
4.一種根據(jù)權利要求1至3任一所述的大尺寸CoSbS基熱電半導體晶體的制備方法，其特征是，包括以下步驟：
5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟一中搖擺熔融的熔融溫度為650~750?℃。
6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟一中搖擺熔融的時間為0.5~3?h，速率為10
7.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟二中CoSbS多晶原料的用量為20~100?g。
8.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟二中熔融區(qū)的條件為：溫度為950~1050?℃，升溫速率為1~2.5?℃/min，停留時間為8~20?h。
9.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟二中降溫結晶區(qū)的條件為：溫度梯度為15~25?℃/cm，坩堝移動速率為0.2~3?mm/h。
10.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟二中坩堝的底部為圓錐狀，圓錐的錐度為17~44?°；坩堝的直徑為10~50?mm，坩堝的長度為20~40?cm。
...【技術特征摘要】
1.一種大尺寸cosbs基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體采用cosbs多晶原料進行熔融生長法制成，所述cosbs多晶原料采用單質co顆粒、單質sb顆粒、單質s顆粒在650~750?℃下?lián)u擺熔融制成，搖擺熔融時將單質s顆粒置于單質co顆粒、單質sb顆粒的下層。
2.根據(jù)權利要求1所述的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體還包括摻雜元素，所述摻雜元素為cu、zn、ni和se元素中的一種，摻雜含量為0~0.2。
3.根據(jù)權利要求1所述的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體，其特征是，所述大尺寸cosbs基熱電半導體晶體的直徑為10~40?mm，長度為5~10?cm。
4.一種根據(jù)權利要求1至3任一所述的大尺寸cosbs基熱電半導體晶體的制備方法，其特征是，包括以下步驟：
5.根據(jù)權利要求4...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：白旭東，萬舜，魏天然，金敏，趙琨鵬，金涵，
申請(專利權)人：烏鎮(zhèn)實驗室，
類型：發(fā)明
國別省市：
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